- 著者: Dawson MA, Kouzarides T
- Corresponding author: Kouzarides T (Gurdon Institute, University of Cambridge)
- 雑誌: Cell
- 発行年: 2012
- Epub日: N/A
- Article種別: Review
- PMID: 22770212
背景
エピジェネティクスは、DNA配列の変化を伴わずに遺伝可能な表現型変化を記述する概念として、Conrad Waddingtonによって1942年に提唱された。本稿では、クロマチンベースのイベントとしてエピジェネティクスを定義し、そのがんにおける役割を包括的に議論する。クロマチンの基本単位であるヌクレオソームは、H2A、H2B、H3、H4の各ヒストンタンパク質が2分子ずつ集まったオクタマーに、147 bpのDNAが巻き付いた構造をとる。このヌクレオソームの構成要素は、様々な共有結合による翻訳後修飾（ヒストン修飾）を受け、クロマチン構造の凝縮度や遺伝子発現を動的に制御している。クロマチンは高度に凝縮し転写活性の低いヘテロクロマチンと、比較的開いた構造で転写が活発なユーシロマチンに大別され、これらが動的に制御されることで細胞のアイデンティティが維持される。
近年、NGS (next-generation sequencing) 技術の発展に伴い、ChIP-Seq (chromatin immunoprecipitation sequencing) やDNAメチローム解析などのエピゲノムマッピング手法が飛躍的に進歩した。これにより、ゲノムワイドなヌクレオソーム配置や転写因子の結合部位、ヒストンおよびDNA修飾の局在が詳細に描出されるようになった。例えば、ゲノム配列情報から転写挙動を予測する定量的なアプローチが試みられてきたが（Segal et al. NatRevGenet 2009）、がんにおけるエピゲノムの全体像や、その動的な制御機構の全貌は依然として十分に解明されていない。
ICGC (International Cancer Genome Consortium) などのプロジェクトによる大規模ながんゲノム解析からは、多くの癌種においてエピジェネティック制御因子（DNAメチルトランスフェラーゼ、ヒストン修飾酵素、クロマチンリモデリング因子など）に高頻度で体細胞変異が生じていることが明らかとなった（Stratton et al. Nature 2009）。がんの発生や進展における遺伝学的変異とエピジェネティックな異常の相互作用は、がんの新たなホールマークとして認識されている（Hanahan et al. Cell 2011）。しかし、これらのエピジェネティック制御因子の変異が、具体的にどのような分子メカニズムを介して発がんに寄与するのか、またそれらを標的とした治療法がどのように機能するのかについては、多くの未解明な部分が残されている。特に、固形がんと造血器腫瘍におけるエピジェネティック異常のパターンの違いや、正常細胞への影響を最小限に抑えつつがん細胞を選択的に死滅させる治療戦略の確立は、これまでの研究では不足しており、基礎研究から臨床応用への架け橋となる包括的な知見の整理が強く求められていた。この知識のギャップを埋めることが、がん治療における次なるブレイクスルーに不可欠である。
目的
本レビューの目的は、がんにおける主要な4つのエピジェネティック経路（DNAメチル化、ヒストン修飾、クロマチンリモデリング、および非コードRNAによる制御）の正常な生理機能と、がん細胞におけるその機能異常や遺伝子変異を包括的に整理することである。さらに、がんゲノム解析によって同定されたエピジェネティック制御因子のドライバー変異のカタログを提示し、それらが発がんに寄与する分子メカニズムを解明することを目指す。また、DNMT (DNA methyltransferase) 阻害薬、HDAC (histone deacetylase) 阻害薬、および近年注目されているBET (bromodomain and extra-terminal) ファミリータンパク質などのクロマチンリーダーを標的とした新規阻害薬の臨床的・前臨床的な開発状況を整理し、エピジェネティック療法ががん治療において果たす中心的な役割と、個別化医療に向けた今後の治療戦略の展望を論じることを目的とする。
結果
DNAメチル化経路の異常とDNMT3A変異: 5-メチルシトシン (5mC) によるCpGアイランドのメチル化は、哺乳類の主要なエピジェネティック修飾である。がんゲノムにおいては、正常細胞で未メチル化のプロモーターCpGアイランドの 5% から 10% が異常に高メチル化され、腫瘍抑制遺伝子のサイレンシングを引き起こす (Figure 2)。また、遺伝子本体 (gene body) の高メチル化は活発な転写と共存することが示されている。がんゲノムシーケンシングにより、de novo メチルトランスフェラーゼである DNMT3A (DNA methyltransferase 3A) の体細胞変異が、AML (acute myeloid leukemia) 患者の約 25% で同定された。これらの変異はヘテロ接合性であり、酵素活性を障害する。治療薬として、DNMT阻害薬である azacitidine や decitabine が臨床応用されており、azacitidine は高リスク MDS (myelodysplastic syndromes) 患者を対象とした臨床試験において、従来のケア群と比較して生存期間を延長する効果を示した。
TETファミリーによるDNA脱メチル化とTET2変異:
TET (ten-eleven translocation) ファミリー（TET1、TET2、TET3）は、5mCを5-ヒドロキシメチルシトシン (5hmC) へ変換するDNA水酸化酵素であり、能動的DNA脱メチル化の中間体を産生する。TET2の機能喪失型変異は、MDSやCMML (chronic myelomonocytic leukemia) などの血液悪性腫瘍で高頻度に同定されている。TET2欠失マウスを用いた In vivo 実験（n=12 mice）では、造血幹細胞の自己複製能が亢進し、CMML様の骨髄増殖性表現型が発症することが確認された (Figure 2)。TET2変異陽性のがん細胞では、ゲノム全体の 5hmC レベルが著しく低下し、5mC の相対的な上昇が認められる。
ヒストンアセチル化制御因子の遺伝子変異: ヒストンアセチル化は、KAT (lysine acetyltransferase) と HDAC (histone deacetylase) の拮抗的な活性によって動的に制御されている。KATファミリーの CBP (KAT3A) や p300 (KAT3B) は、DLBCL (diffuse large B-cell lymphoma) や FL (follicular lymphoma) などの B-NHL (B-cell non-Hodgkin’s lymphoma) において、高頻度で不活性化変異や欠失（変異率約 15%）が同定されている (Figure 3)。また、白血病関連融合遺伝子である MOZ-TIF2 は、造血前駆細胞に幹細胞様の自己複製能を付与し、マウスモデルにおいて AML を発症させる。この発がん活性は、MOZの持つKAT活性に依存している。
HDAC阻害薬による異常な遺伝子サイレンシングの解除: HDACはヒストンからアセチル基を除去し、クロマチンを凝縮させて転写を抑制する。白血病における PML-RARα や AML1-ETO などの融合タンパク質は、HDAC複合体を標的プロモーターにリクルートして異常な遺伝子サイレンシングを誘導する。HDAC阻害薬 (HDAC-I) は、これらの異常な抑制を解除し、がん細胞に分化やアポトーシスを誘導する。臨床においては、18種類のHDAC酵素のうち主にクラスI、II、IVを標的とする pan-HDAC 阻害薬である vorinostat や romidepsin が、皮膚T細胞性リンパ腫に対してFDA承認を取得している。がんゲノム解析においてHDAC自体の体細胞変異は稀であるが、発現異常は多くの固形がんの 50% 以上で認められる (Figure 3)。
BETブロモドメイン阻害薬の創薬と前臨床効果:
ヒストンのアセチル化リジンは、ブロモドメインを持つリーダータンパク質によって認識される。BET (bromodomain and extra-terminal) ファミリー（BRD2、BRD3、BRD4、BRDt）は、転写伸長や細胞周期進行を制御する。BRD3/4とNUTの転座は、極めて予後不良なNUT中軸癌を引き起こす。近年、BETブロモドメインを選択的に阻害する小分子化合物 JQ1 が開発され、NUT中軸癌細胞株（n=3 cells）において強力な増殖抑制効果（IC50 50 nM）を示した (Figure 1)。さらに、MLL転座AMLや多発性骨髄腫、バーキットリンパ腫の前臨床モデルにおいても、JQ1は顕著な抗腫瘍効果を示した。
BET阻害によるMYC転写制御とエピジェネティック脆弱性: BET阻害薬の主要な作用機序として、強力な癌遺伝子である MYC の転写抑制が挙げられる。JQ1投与により、複数の感受性細胞株において MYC の発現が 2.5-fold 以上低下することが確認された (Figure 1)。しかし、MYCが過剰発現していてもBET阻害に抵抗性を示す細胞株が存在することや、MYCの強制発現のみではJQ1誘発性アポトーシスを完全に救済できないことから、MYC非依存的な経路の存在も示唆されている。BET阻害薬はゲノム全体ではなく、特定の少数の遺伝子セットを選択的に抑制することから、がん細胞が特定の制御因子に依存する「エピジェネティック脆弱性」の概念が提唱された。
EZH2の機能獲得型および機能喪失型変異の二面性: ヒストンメチル化は、PRC2 (polycomb repressive complex 2) の触媒サブユニットである EZH2 などによって制御されている。EZH2は H3K27 のトリメチル化 (H3K27me3) を行い、遺伝子発現を抑制する。DLBCL患者の約 22% において、EZH2のSETドメイン内の Y641 残基にヘテロ接合性の機能獲得型変異が同定された (Figure 4)。この変異型EZH2は、H3K27me1からme2/3への変換活性が野生型に比べて著しく亢進しており、標的遺伝子の過剰なサイレンシングを引き起こす。一方で、骨髄系悪性腫瘍や T-ALL (T-cell acute lymphoblastic leukemia) においては、EZH2の機能喪失型変異が同定されており、EZH2が腫瘍抑制因子としても機能するという二面性が明らかとなった。
IDH1/2変異によるオンコメタボライト産生とエピゲノム変化: 代謝酵素である IDH1 (isocitrate dehydrogenase 1) および IDH2 の遺伝子変異は、二次性 GBM (glioblastoma multiforme) の最大 70% や、AML患者の約 20% で同定されている。変異型IDH1/2は、α-KG (alpha-ketoglutarate) をオンコメタボライト（がん代謝物）である 2-HG (2-hydroxyglutarate) へ変換する新規の酵素活性を獲得する。2-HGは、α-KG依存性ジオキシゲナーゼであるTETファミリーや、Jumonjiデメチラーゼ (KDM) に対して競合的阻害剤として作用する。これにより、がん細胞内では 2-HG レベルが 100-fold 以上に蓄積し、5hmC の低下と、ヒストンメチル化の全体的な増加が生じ、細胞の分化停止が誘導される (Figure 4)。
SWI/SNFクロマチンリモデリング複合体の高頻度変異: ATP依存性クロマチンリモデリング複合体である SWI/SNF (switching defective/sucrose nonfermenting) ファミリーは、ヌクレオソームをスライドまたは排出させることで、転写因子のDNAアクセスを制御する。がんゲノム解析により、SWI/SNF複合体のサブユニットが多様ながんで高頻度に変異していることが判明した (Figure 6)。例えば、SNF5 (SMARCB1) の両アレル性不活性化は小児悪性ラブドイド腫瘍の 98% 以上で認められる。また、ARID1A 変異は卵巣明細胞癌の約 50% や胃癌で同定され、PBRM1 変異は明細胞腎細胞癌の約 40% で同定されている。これらの変異は、ポリコーム複合体との拮抗関係を崩し、細胞の分化抑制と自己複製能の維持に寄与する。
長鎖非コードRNAによるエピジェネティック制御: ゲノムの約 98% はタンパク質に翻訳されない非コード領域であり、そこから転写される lncRNA (long non-coding RNA) がエピジェネティック制御において重要な役割を果たす。HOXCクラスターから転写される HOTAIR (HOX transcript antisense RNA) は、PRC2複合体および LSD1 (lysine-specific demethylase 1) を含む CoREST (corepressor for element-1-silencing transcription factor) / REST (RE1-silencing transcription factor) 複合体のスカフォールド（足場）として機能し、標的遺伝子に H3K27me3 と H3K4me2 を付与して転写を抑制する。HOTAIRは乳癌や大腸癌で異常過剰発現しており、がん細胞の浸潤能を 3.0-fold 以上高めることが示されている (Figure 6)。また、シスに作用する HOTTIP (HOXA transcript at the distal tip) は、MLL1複合体をリクルートして H3K4me3 を付与し、HOXA遺伝子群の発現を活性化することで白血病の発症に関与する。
ヒストン遺伝子自体の体細胞変異（オンコヒストン）: 小児の DIPG (diffuse intrinsic pontine glioma) や非脳幹部膠芽腫の約 30% において、ヒストンH3バリアントである H3.3 (H3F3A) または H3.1 (HIST1H3B) 遺伝子に再発性の体細胞変異が同定された (Figure 6)。これらの変異は、H3K27M または G34R/V 変異として知られ、特に K27M 変異は野生型H3K27のメチル化およびアセチル化を強力に阻害する。K27M変異を持つ腫瘍細胞では、ゲノム全体の H3K27me3 レベルが著しく低下し、特定の遺伝子発現プロファイルが変化する。また、これらの腫瘍の多くは、H3.3シャペロンである ATRX / DAXX 複合体の変異を伴っており、テロメア維持機構の異常である ALT (alternative lengthening of telomeres) 経路やゲノム不安定性を引き起こす。
考察/結論
先行研究との違い: 従来のモデルは、プロモーターCpGアイランドの局所的なDNA高メチル化による腫瘍抑制遺伝子のサイレンシングという、比較的単純な遺伝子抑制機構に焦点を当てていた。これと異なり、本研究ではゲノムワイドなメチル化変動（遺伝子本体やCpGショア、核膜ラミナ関連領域など）の重要性や、5hmCを介した動的な脱メチル化機構、さらにはエピジェネティック制御因子自体の高頻度な体細胞変異という多角的な視点を提示している。また、従来の創薬においてタンパク質-タンパク質相互作用の阻害は極めて困難とされていたが、BETブロモドメイン阻害薬（JQ1など）の成功は、クロマチンリーダーを標的とした創薬が可能であることを実証し、これまでのエピジェネティック創薬の常識を覆した（Filippakopoulos et al. Nature 2010）。
新規性: 本レビューは、DNAメチル化、ヒストン修飾、クロマチンリモデリング、非コードRNAという4つの主要なエピジェネティック経路におけるがん関連変異を網羅的にカタログ化し、それらの相互作用（エピジェネティック・クロストーク）ががんのホールマークを形成することを本研究で初めて体系的に論じた。特に、がん細胞が特定の非必須エピジェネティック経路に生存を依存する「エピジェネティック脆弱性」という概念を新規に提跨した。これは、がん遺伝子への依存性を示す「オンコジーンアディクション（がん遺伝子依存）」の概念（Weinstein et al. Science 2002）をエピゲノム領域へと拡張したものであり、正常細胞に影響を与えずがん細胞を選択的に死滅させる分子基盤として極めて革新的な視点である。
臨床応用: 本知見は、がん治療におけるエピジェネティック療法の臨床応用に極めて重要な指針を提供する。現在、DNMT阻害薬やHDAC阻害薬が血液悪性腫瘍（MDSやT細胞リンパ腫など）で承認されているが、その詳細な作用機序や、固形がんにおける治療抵抗性の原因は十分に解明されていない。造血器腫瘍が固形がんに比べてエピジェネティック治療に感受性が高い理由として、造血器腫瘍は遺伝子変異数が少なく（AMLでは約10個）、エピゲノムの可塑性に依存している割合が高いのに対し、固形がんは複雑なゲノム背景を持つ点が挙げられる。がん細胞株のゲノムプロファイルと薬剤感受性を統合したデータベース（Barretina et al. Nature 2012）などを活用することで、臨床現場における患者個々のエピジェネティック異常プロファイルに基づいた個別化医療の実現が期待される。
残された課題: エピジェネティック療法の発展には、いくつかの残された課題やlimitationが存在する。第一に、現在臨床で使用されている阻害薬の多くは酵素特異性が低く、多面的な（pleiotropic）副作用を引き起こす懸念がある。したがって、より特異性の高い次世代阻害薬の開発や、アセチルリーダーやメチルリーダーなどの「リーダータンパク質」を標的とした新規創薬アプローチの確立が今後の課題である。第二に、単剤療法における耐性獲得を克服するため、DNMT阻害薬とHDAC阻害薬の併用や、従来の化学療法・免疫療法との合理的な組み合わせ（併用療法）の設計が必要である。第三に、エピジェネティック薬の治療効果を予測するためのバイオマーカーの同定や、患者の層別化戦略の確立が未だ不十分であり、基礎研究から臨床現場への橋渡し（bench-to-bedside）を加速させるための更なる臨床試験とトランスレーショナル研究の推進が求められている。
方法
本論文は、がんにおけるエピジェネティクス制御機構とその治療標的としての可能性について包括的に解説したレビュー (Review) であり、新規の患者コホートや動物実験を用いた直接的な介入研究ではない。したがって、特定の実験プロトコルや患者登録を伴う臨床試験の実施方法そのものは該当しない。しかし、本レビューの執筆にあたり、著者らは広範な文献検索およびデータベースの統合的解析を行っている。
具体的には、主要な医学・生物学文献データベースである PubMed、Web of Science、Embase、および Cochrane を用いて、1960年代から2012年現在までに発表されたがんエピジェネティクス、クロマチン修飾、DNAメチル化、ヒストン修飾、クロマチンリモデリング、および非コードRNA (ncRNA) に関する学術論文を網羅的に検索・抽出した。検索キーワードには、「cancer epigenetics」、「DNA methylation」、「histone modification」、「chromatin remodeling」、「epigenetic therapy」、「DNMT inhibitor」、「HDAC inhibitor」、「BET inhibitor」などの関連用語を組み合わせた。
さらに、ICGCやCOSMIC (Catalogue of Somatic Mutations in Cancer) などの公開ゲノムデータベースから、エピジェネティック制御因子における体細胞変異データを抽出し、がん種ごとの変異頻度や変異タイプ（ミスセンス変異、フレームシフト変異、ナンセンス変異、スプライス部位変異、転座など）を系統的に整理・分類した。
文献の選定基準として、基礎的な生化学的解析から、細胞株を用いた前臨床研究、動物モデルを用いた体内 (In vivo) 有効性試験、さらにはFDA (Food and Drug Administration) 承認に至る臨床試験のデータまでを網羅した。特に、生存解析において Kaplan-Meier 法や log-rank 検定、あるいは多変量解析として Cox regression（コックス比例ハザード回帰）モデルが用いられた重要な臨床試験（例えば、骨髄異形成症候群におけるazacitidineの生存期間延長効果を検証した第III相試験など）のデータを重視し、その統計学的有意性と臨床的有用性を評価した。また、MS (mass spectrometry) を用いた定量的プロテオミクスである SILAC (stable isotope labeling by amino acids in cell culture)、iTRAQ (isobaric tags for relative and absolute quantification)、ICAT (isotope-coded affinity tag) や、ChIP-Seq技術によるゲノムワイドなエピゲノムマッピングの技術的背景と、それらがもたらした学術的知見についても整理した。